基于DDS芯片AD9833的音源發(fā)生器設(shè)計(jì)

在2008年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，有一個(gè)題目是“音樂(lè)演奏器設(shè)計(jì)”，要求用12個(gè)鍵盤演奏音樂(lè)，其中有一個(gè)關(guān)于音階的技術(shù)指標(biāo)要求頻率誤差小于±0.1%。本題目的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個(gè)高精度的音源。一般采用的單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生信號(hào)的方法勉強(qiáng)能達(dá)到這個(gè)要求。本題目有一個(gè)音階對(duì)應(yīng)頻率的附表，描述了各音階對(duì)應(yīng)頻率的精確值，如音階6頻率為739.99 Hz，采用51系列單片機(jī)定時(shí)器中斷方法無(wú)法達(dá)到該表數(shù)據(jù)所描述頻率精度要求。而采用DDS技術(shù)，則能達(dá)到這一頻率精度的要求。與采用51單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生的信號(hào)相比，通過(guò)DDS產(chǎn)生的音階信號(hào)除了頻率精度高的優(yōu)點(diǎn)外，產(chǎn)生的是正弦波，具有“純”音的特點(diǎn)，聽(tīng)覺(jué)效果較好。基于上述原因，采用DDS+MCU是實(shí)現(xiàn)音樂(lè)演奏器的一種較好設(shè)計(jì)方案。其技術(shù)核心為可控的音階的發(fā)生，構(gòu)成一個(gè)音源發(fā)生器。本文介紹的音源發(fā)生器可用于鋼琴的校音，具有一定實(shí)用價(jià)值。
1 音源產(chǎn)生原理
　　Tierney J和Tader C M等人于1971年首次提出了DDS或DDFS(Direct Digital Frequency Synthesis)的概念，通常將DDS視為第三代頻率合成技術(shù)。DDS突破了以往頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。另外，可以采用DDS方法產(chǎn)生任意波形(AWG)。
??? DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主頻、同步加法器、頻率字寄存器、ROM、D/A、LPF等。主頻產(chǎn)生主時(shí)鐘，同步加法器按照主時(shí)鐘進(jìn)行同步加法運(yùn)算。同步加法器的一個(gè)加數(shù)是存儲(chǔ)于頻率字寄存器中的頻率字，另一個(gè)加數(shù)是同步加法器的上次加法運(yùn)算結(jié)果(和)。同步加法器的加法運(yùn)算結(jié)果(和)作為ROM的地址，ROM內(nèi)存儲(chǔ)有波形數(shù)據(jù)，ROM的數(shù)據(jù)輸出由D/A轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)過(guò)LPF濾波，輸出ROM內(nèi)存儲(chǔ)的波形。

??? 基本的DDS芯片，主頻f_MCLK=1 MHz，頻率字FREQREG=1，同步加法器的位數(shù)為8，則同步加法器相當(dāng)于進(jìn)行0～255(0x00～0xFF)的計(jì)數(shù)過(guò)程，該過(guò)程循環(huán)重復(fù)，其循環(huán)頻率為fMCLK/256。若ROM存儲(chǔ)有正弦波數(shù)據(jù)，則經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和LPF濾波后，輸出頻率為f_MCLK/256的正弦波信號(hào)；當(dāng)頻率字FREQREG=2，則同步加法器相當(dāng)于進(jìn)行步長(zhǎng)為2的0～255(0x00～0xFF)的累加過(guò)程，該過(guò)程的頻率為2×f_MCLK/256，也就是輸出頻率為2×f_MCLK/256的正弦波信號(hào)。
　　由此類推，基本型DDS芯片的輸出頻率為：
　　f₀=f_MCLK/2⁸×FREQREG
??? 對(duì)于基本型DDS芯片，一般，主頻f_MCLK通過(guò)晶體振蕩電路產(chǎn)生，相對(duì)固定，因此DDS的輸出頻率取決于頻率字，頻率字一般通過(guò)串行或并行接口進(jìn)行設(shè)置。
??? DDS芯片的輸出頻率的變化間隔(分辨率)為f_MCLK/2⁸(當(dāng)同步加法器的位數(shù)是8時(shí))。輸出頻率的穩(wěn)定度主要取決于晶體振蕩的穩(wěn)定度，輸出波形則取決于ROM中的波形數(shù)據(jù)，根據(jù)奈奎斯特定理，最高輸出頻率小于f_MCLK/2。
??? 由于同步加法器結(jié)果是改變輸出波形的相位，在有關(guān)DDS芯片的資料中[1]，該同步加法器通常稱為相位累加器。
??? 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，DDS的結(jié)構(gòu)會(huì)復(fù)雜得多，同步加法器的位數(shù)遠(yuǎn)大于8，加入相位加法器，ROM、D/A數(shù)據(jù)寬度在10位以上，主頻也會(huì)較高。因此通常采用專用芯片，也有少量采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的(特別當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)AWG時(shí))。
??? Qualcomm公司、ADI公司等推出一系列DDS專用芯片。比較典型的有AD9850、AD9851、AD9852、AD9853、AD9833等。當(dāng)前的信號(hào)發(fā)生器廣泛使用DDS專用芯片作為電路核心[1]。歷年的大學(xué)生電子競(jìng)賽均有涉及DDS芯片應(yīng)用的題目。
??? AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波輸出，輸出頻率和相位都可通過(guò)軟件編程，調(diào)節(jié)比較方便。采用28位的頻率寄存器，當(dāng)主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí)，頻率分辨率為0.1 Hz；主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí)，頻率分辨率可以達(dá)到0.004 Hz[2]。
??? AD9833采用10個(gè)引腳的MSOP封裝形式，采用SPI接口進(jìn)行控制寄存器和頻率寄存器的設(shè)置，功能簡(jiǎn)潔，使用方便，故選用AD9833芯片作為音階頻率發(fā)生器。AD9833芯片的引腳圖如圖2所示。

?

??? 在主頻合適的條件下，通過(guò)SPI接口設(shè)置頻率寄存器和控制寄存器，即能得到理想的信號(hào)輸出。其輸出頻率為：
???
2 硬件設(shè)計(jì)
??? AD9833芯片有3根串行接口線，與SPI、QSPI、MI－CROWIRE和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容，在串口時(shí)鐘SCLK的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設(shè)備上，其時(shí)序圖如圖3所示，F(xiàn)SYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC引腳必須置低。

本設(shè)計(jì)中，MCU采用51系列芯片，圖4是音源器部分的電路原理圖。P1.5、P1.6、P1.7分別與AD9833芯片的FSYN、SCLK、SDA相連，MCU通過(guò)模擬SPI的時(shí)序，對(duì)AD9833芯片的各寄存器進(jìn)行設(shè)置。Y2是一個(gè)有源晶振，其第3腳輸出頻率為4.194 304 MHz的信號(hào)，提供給AD9833芯片的主頻輸入端，AD9833芯片產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)JP3輸出，與音頻功放電路相連，通過(guò)音頻功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
??? 本設(shè)計(jì)中，主頻時(shí)鐘采用4.194 304 MHz。輸出頻率計(jì)算如下：
???
式中，f₀為輸出頻率，f_MCLK為主頻(4.194 304 MHz)，F(xiàn)REQREG為頻率寄存器設(shè)置的頻率字。頻率分辨率為1/64=0.015 625 Hz。
??? 根據(jù)上述公式，計(jì)算出各音階對(duì)應(yīng)的頻率字參數(shù)如表1所示。

??? 控制程序在Keil uv2環(huán)境下開(kāi)發(fā)，程序采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程形式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制部分采用匯編語(yǔ)言，主體部分則采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。程序主體部分調(diào)用時(shí)序控制部分時(shí)，通過(guò)全局字節(jié)變量light_o和light_o1傳遞數(shù)據(jù)。
　　? 時(shí)序控制部分程序通過(guò)模擬SPI接口時(shí)序，完成對(duì)DDS芯片內(nèi)部寄存器的設(shè)置，具體程序如下(定義部分略)：
??? to_9833:
??????? setb SCK
??????? clr CS ?
??????? mov a，light_o
??????? mov r1，#08h
??????? call out_SPI
??????? mov a，light_o1
??????? mov r1，#08h
??????? call out_SPI
??????? setb CS
??????? clr SCK
??????? ret
??? out_SPI:
??????? RLC A
??????? mov SO，c
??????? clr? SCK
??????? setb SCK
??????? djnz r1，out_SPI
??????? ret
??? 程序主體部分中，根據(jù)表1將音階數(shù)據(jù)定義成一個(gè)一維數(shù)組：
??? code unsigned int music_table[ ]={0x5268，0x5c80，
0x67d3，0x6e00，0x7b78，0x8a97，0x92d5，0xa4d5，0xb8ff，0xcfa7，0xdc00，0xf6f0，}；
??? 主程序的編程框圖如圖5所示。對(duì)AD9833芯片通過(guò)寫入控制字的方式進(jìn)行初始化。程序在主循環(huán)中運(yùn)行。主循環(huán)對(duì)有效按鍵進(jìn)行處理，對(duì)于有效琴鍵，調(diào)用音階函數(shù)即可。音階函數(shù)如下：
??? void play_music(unsigned char nn)
?????? {
?????????? light_o = 0x20；
?????????? light_o1 = 0x00； //設(shè)控制字
??????????? to_9833()；
??????????? v_3.cm_int =music_table[nn]； //查音階表
????????????? light_o = 0x40 | (v_3.cm.cm_0 & 0x3f)；
????????????? light_o1 = v_3.cm.cm_1；??
????????????? to_9833()；?? //設(shè)頻率字
????????????? light_o = 0x40；
????????????? light_o1 = v_3.cm.cm_0 / 0x40；
????????????? to_9833()；??
??????? }???
??? 如有音階2的琴鍵被按下有效，C語(yǔ)言對(duì)調(diào)用函數(shù)描述為：
??? play_music(2)；

??? 程序中還包含按鍵處理、顯示、存儲(chǔ)控制等部分，限于篇幅，不再贅述。經(jīng)實(shí)測(cè)，本音源發(fā)生器產(chǎn)生的各音階頻率與表1設(shè)計(jì)值一致，頻率誤差<0.02%，波形則是“純凈”的正弦波。通過(guò)功率放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。
??? 通常不同樂(lè)器發(fā)音時(shí)，均有不同特征的諧波。常規(guī)樂(lè)器難以實(shí)現(xiàn)只有主音、無(wú)諧波成分的音階，而通過(guò)本文DDS芯片設(shè)計(jì)的音源器，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的無(wú)諧波成分的音階，有獨(dú)特的聽(tīng)覺(jué)效果。可作為基準(zhǔn)音階，用于各類樂(lè)器的校音。